CN103292926A - 一种超导磁体励磁数据采集装置及方法 - Google Patents

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一种超导磁体励磁数据采集装置及方法，包括主控模块、检测模块和传感器，所述主控模块与检测模块相互分离并通过串行总线相连接，所述检测模块各自连接传感器；所述的检测模块至少包括液氮温度检测模块、液氦温度检测模块和液氦液面检测模块。各检测模块接收传感器信号，将传感器信号由模拟信号转换为数字信号，并通过串行总线上报给主控模块；主控模块通过串行总线控制检测模块进行通道切换和采集数据，并接收上报的数字信号。本发明采用控制模块和检测模块相分离的模块化结构，能够满足超导磁体状态采集装置通用性要求，具有优良的可扩展性和扩展灵活性，功能完备、检测类型齐全。

Description

一种超导磁体励磁数据采集装置及方法
技术领域
本发明涉及一种数据采集装置及方法，特别是涉及一种超导磁体励磁数据采集装置及方法。
背景技术
超导磁体是核磁共振成像设备的核心关键部件,用于超导磁体的超导体只有在满足特定的条件（如温度、磁场、电流密度）时才能体现超导特性。一旦条件被破坏，超导体将会发生失超。超导体的一小部分不再是超导态，并进入电阻状态，任何流经该电阻部分的电流都会导致局部焦耳发热，这将导致该超导体的邻近部分失超，结果形成更大的电阻体积，这又导致进一步焦耳发热。
超导磁体可能储存有兆焦耳数量级的能量，在失超后，这些能量将在超导磁体的电阻体积中被消耗，从而可能产生高电压击穿绝缘，所以实时在线监测超导磁体工作参数是十分必要的。
目前超导磁体工作状态数据采集装置检测类型单一、采集通道数量无法扩展。
发明内容
本发明的主要目的旨在提供一种新型超导磁体励磁数据采集装置，能克服现有的超导磁体工作参数采集存在的缺陷，解决对运行状态中超导磁体的工作参数进行实时采集的技术问题，实现对超导磁体液氮温区、液氦温区温度和液氦液面高度的参数数据采集，具有优良的可扩展性，满足超导磁体工作参数监测数据采集装置通用性要求；同时该装置可以任意设置传感器的激励电流，具有自动检测，短路、断路自动提示功能。
实现本发明的目的及解决其技术问题采用以下技术方案：依据本发明提出的一种超导磁体励磁数据采集装置，所述装置包括主控模块、检测模块和传感器，所述主控模块与检测模块相互分离并通过串行总线相连接，所述检测模块各自连接传感器；所述的检测模块至少包括液氮温度检测模块、液氦温度检测模块和液氦液面检测模块。其中，所述液氮温度检测模块用于采集液氮温区温度参数，液氦温度检测模块用于采集液氦温区温度参数，液氦液面检测模块用于采集液氦液面高度参数。
前述的超导磁体励磁数据采集装置，所述主控模块包括电源单元、通讯单元、时钟单元、存储单元和微控制器。
前述的超导磁体励磁数据采集装置，所述的检测模块是通过将数据采集装置的传感器检测电路分离出来而形成的，包括信号检测与调理电路、通道切换电路、存储器和微控制器。
前述的超导磁体励磁数据采集装置，所述主控模块中的微控制器和所述检测模块中的微控制器采用内部集成双向两线制串行总线I2C接口的C8051F005控制器。
所述的检测模块可以采用任意类型的检测模块，包括差动电阻式检测模块、电位器式检测模块或电压电流式检测模块，因此从原理或结构上，本发明的数据采集装置可以采集任意类型传感器的检测信号。
优选地，所述的液氮温度检测模块连接二极管传感器，液氦温度检测模块连接陶瓷碳电阻传感器，液氦液面检测模块连接超导丝液位传感器。
优选地，前述的超导磁体励磁数据采集装置，所述主控模块的通讯线入口与所述检测模块的通讯线入口设有数字磁隔离芯片，如双通道数字磁隔离芯片CP521，防止外部电磁干扰通过通讯线耦合到电路内部。
优选地，前述的超导磁体励磁数据采集装置，所述串行总线上设有上拉电阻。
优选地，前述的超导磁体励磁数据采集装置，所述检测模块均具有2-4个采集通道。
优选地，所述的数据采集装置还包括加热器和加热器控制模块，用于监测和控制超导磁体装置的温度。
应用前述的超导磁体励磁数据采集装置，本发明还涉及一种超导磁体励磁数据采集方法，包括如下步骤：借助所述的超导磁体励磁数据采集装置，所述液氮温度检测模块采集液氮温区温度，将传感器信号由模拟信号转换为数字信号，并通过串行总线上报给主控模块；所述液氦温度检测模块采集液氦温区温度，将传感器信号由模拟信号转换为数字信号，并通过串行总线上报给主控模块；所述液氦液面检测模块采集液氦液面高度，将传感器信号由模拟信号转换为数字信号，并通过串行总线上报给主控模块；主控模块通过串行总线控制液氮温度检测模块、液氦温度检测模块和液氦液面检测模块进行通道切换和采集数据，并接收各检测模块上报的数字信号，实现超导磁体励磁数据实时采集。
借由上述技术方案，本发明超导磁体励磁数据采集装置及方法至少具有下列优点：
采用控制模块和检测模块相分离的模块化结构设计，解决了目前超导磁体工作状态数据采集装置检测类型单一、采集通道数量无法扩展的问题，能够满足超导磁体工作状态采集装置通用性要求，具有优良的可扩展性和扩展灵活性；功能完备、检测类型齐全，通道数量不受限制；当有新类型的传感器接入需求时，可以减少主控制电路的重复开发，只需开发对应的检测模块，降低硬件成本；工程安装灵活，满足不同监测要求；系统故障时，只需更换故障模块，无需整机更换，节约硬件成本，缩短故障恢复时间。总之，本发明的装置能够满足超导磁体工作参数监测数据采集装置通用性要求，具有优良的可扩展性，并且能够有效降低硬件成本，安装灵活，维修简单。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
图1 本发明超导磁体励磁数据采集装置的电路原理框图；
图2本发明检测模块原理图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,对依据本发明提出的超导磁体励磁数据采集装置及数据采集方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
如图1和图2所示，本发明的超导磁体励磁数据采集装置，包括主控模块1，液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3、液氦液面检测模块4和加热器控制模块5和串行总线6。其中主控模块1 与液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3、液氦液面检测模块4和加热器控制模块5分别通过串行总线6相连接。主控模块1包括电源单元，通讯单元，时钟单元，存储单元和微控制器，微控制器是内部集成双向两线制串行总线I2C接口的C8051F005控制器。液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3和液氦液面检测模块4分别包括信号检测与调理电路、通道切换电路、存储器和微控制器，还设置报警模块，微控制器同样是C8051F005控制器。串行总线6上设有上拉电阻。
液氮温度检测模块2连接二极管传感器，用于监测液氮温区的温度，位于冷屏不同位置，选用铂电阻温度计Pt100和Pt1000。测量时采用四引线法，两根引线给二极管传感器提供恒定电流，另外两根引线测量温度传感器的电压，电压测定后可从分度表上查到对应的温度。
液氦温度检测模块3连接陶瓷碳电阻传感器，用于监测液氦温区的温度。选用陶瓷碳电阻传感器, 陶瓷碳电阻是负温度系数，即温度越低电阻反而越大，测量时也采用四引线法，由于其低温下电阻较大，所以选择恒流源时电流要尽量低（10uA ）。
液氦液面检测模块4连接超导丝液位传感器，用于监测液氦的液面高度，确保磁体始终处于液氦浸泡中。传感器采用发热量小的超导丝制成，利用其电阻的变化采用脉冲工作方式测量液面。为消除引线误差，采用四引线测试，其中两根引线是通电流（160mA或200mA），另外两根是用来测电压。
加热器控制模块5连接加热器，检测整个装置的温度，当温度偏离预定值时，进行报警，并通过反馈控制加热器。
主控模块1通过微控制器内部I2C总线对各检测模块，即液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3和液氦液面检测模块4进行控制。液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3和液氦液面检测模块4亦都配有微控制器C8051F005，微控制器负责控制传感器信号检测与调理电路，将模拟信号转化为数字信号，并通过微控制器内部I2C总线上报给主控模块1。
主控模块1和液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3、液氦液面检测模块4和加热器控制模块5的通讯线入口设有双通道数字磁隔离芯片CP521，防止外部电磁干扰通过通讯线耦合到电路内部。
主控模块1中的微控制器采用内部集成双向两线制串行总线I2C接口的C8051F系列微控制器，微控制器对主控模块1内部各电路单元进行控制，并通过串行总线6对各检测模块进行寻址、采集控制和数据获取。
液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3和液氦液面检测模块4的微控制器同样为内部集成双向两线制串行总线I2C接口的C8051F系列微控制器，微控制器控制液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3和液氦液面检测模块4内部的通道切换电路、信号检测与调理电路，完成对传感器的激励与检测，将传感器的模拟信号转换为可在串行总线6上传输的数字信号。
串行总线6为两线制总线，由时钟线SCL和数据线SDA组成。采用8位地址码寻址，所以串行总线6上可以挂接255个检测模块。
本领域技术人员不难理解，本发明的超导磁体励磁数据采集装置中，液氮温度检测模块2、液氦温度检测模块3和液氦液面检测模块4可以是不同类型的检测模块，包括差动电阻式检测模块，或电位器式检测模块，或电压电流式检测模块，因此，检测模块连接其它传感器，本发明的数据采集装置可以采集任意类型的传感器的检测信号。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述装置包括主控模块、检测模块和传感器，所述主控模块与检测模块相互分离并通过串行总线相连接，所述检测模块各自连接传感器；所述的检测模块至少包括液氮温度检测模块、液氦温度检测模块和液氦液面检测模块。
2.根据权利要求1所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述主控模块包括电源单元，通讯单元，时钟单元，存储单元和微控制器。
3.根据权利要求1所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述检测模块包括信号检测与调理电路、通道切换电路、存储器和微控制器。
4.根据权利要求2或3所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述主控模块或检测模块中的微控制器是内部集成双向两线制串行总线I2C接口的C8051F005控制器。
5.根据权利要求1所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述的检测模块为差动电阻式检测模块、电位器式检测模块或电压电流式检测模块。
6.根据权利要求1所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述的液氮温度检测模块连接二极管传感器，液氦温度检测模块连接陶瓷碳电阻传感器，液氦液面检测模块连接超导丝液位传感器。
7.根据权利要求1所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述主控模块的通讯线入口和控制模块的通讯线入口设有数字磁隔离芯片。
8.根据权利要求1所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述的数据采集装置还包括加热器和加热器控制模块。
9.根据权利要求1所述的超导磁体励磁数据采集装置，其特征在于，所述检测模块具有2-4个采集通道。
10.一种通过权利要求1所述的数据采集装置采集超导磁体励磁数据的方法，其特征在于，包括如下步骤：采用所述的超导磁体励磁数据采集装置，所述液氮温度检测模块采集液氮温区温度，将传感器信号由模拟信号转换为数字信号，并通过串行总线上报给主控模块；所述液氦温度检测模块采集液氦温区温度，将传感器信号由模拟信号转换为数字信号，并通过串行总线上报给主控模块；所述液氦液面检测模块采集液氦液面高度，将传感器信号由模拟信号转换为数字信号，并通过串行总线上报给主控模块；主控模块通过串行总线控制液氮温度检测模块、液氦温度检测模块和液氦液面检测模块进行通道切换和采集数据，并接收各检测模块上报的数字信号，实现超导磁体励磁数据实时采集。
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